JP4799866B2 - Membrane-based electrochemical cell stack - Google Patents
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Description
本願は、2002年11月18日を出願日とする米国仮出願60/427,261号の利益を主張する。前記仮出願の全記載は、本願に参照として組み入れられる。 This application claims the benefit of US Provisional Application No. 60 / 427,261, filed Nov. 18, 2002. The entire description of the provisional application is incorporated herein by reference.
発明の分野
本発明は、膜ベース電気化学電池スタックに関し、より具体的には、プロトン交換膜(PEM)燃料電池スタックに関する。本発明は、新規なこれらのPEM燃料電池スタックの製造方法についても記載する。
The present invention relates to membrane-based electrochemical cell stacks, and more particularly to proton exchange membrane (PEM) fuel cell stacks. The present invention also describes methods for manufacturing these novel PEM fuel cell stacks.
発明の背景
膜ベース電気化学電池、とくにプロトン交換膜(PEM)燃料電池は、周知である。PEM燃料電池は、化学エネルギーを電気エネルギーに変換するが、環境への物質放出は実質的に伴わず、バッテリーとは、エネルギーが蓄積されず供給された燃料から抽出される点において異なる。したがって、燃料電池は、充電/放電サイクルの制限を受けることなく、一定のエネルギー出力の維持を、燃料が連続して供給される限り可能とすることができる。巨額の投資が燃料電池の研究および商業化になされていることが、当技術が市場において相当なポテンシャルを有するものであることを示している。しかしながら、燃料電池はコストが従来のエネルギー産生技術よりかさむため、使用の普及が遅延している。燃料電池を加工し組み立てる際のコストは膨大なものとなり得るが、その理由は必要な材料および作業量のためである。実際に、燃料電池のコストの実に85%が、その製造において発生するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION Membrane based electrochemical cells, particularly proton exchange membrane (PEM) fuel cells, are well known. PEM fuel cells convert chemical energy into electrical energy, but are substantially free of material release to the environment and differ from batteries in that no energy is stored and extracted from the supplied fuel. Accordingly, the fuel cell can maintain a constant energy output as long as the fuel is continuously supplied without being restricted by the charge / discharge cycle. The huge investment in fuel cell research and commercialization indicates that the technology has considerable potential in the market. However, since the cost of fuel cells is higher than that of conventional energy production technologies, the spread of use is delayed. The cost of processing and assembling a fuel cell can be enormous, because of the materials and work required. In fact, as much as 85% of the cost of a fuel cell occurs in its manufacture.
単セルPEM燃料電池は、薄い、イオン伝導膜によって分離された陽極および陰極コンパートメントで構成される。この触媒添加膜は、ガス拡散層を有するものまたはガス拡散層有さないものとがあるが、膜電極接合体(MEA:membrane electrode assembly)と呼ばれることが多い。エネルギー変換は、反応物質、還元剤および酸化剤が、PEM燃料電池の陽極および陰極コンパートメントにそれぞれ供給されると開始される。酸化剤は、純酸素、空気などの酸素含有ガス、および塩素などのハロゲン類である。還元剤は、本明細書では燃料とも呼ぶが、水素、天然ガス、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ホルムアルデヒド、メタノール、エタノール、アルコール配合体、およびその他のハロゲンに富む有機物質を含む。陽極において、還元剤が酸化されてプロトンを生成し、このプロトンが膜を横断して陰極へと移動する。陰極においては、プロトンが酸化剤と反応する。全体的な電気化学レドックス(酸化/還元)反応は、自然発生的であり、エネルギーが放出される。この反応中に、PEMは、還元剤と酸化剤が混合するのを防止するとともに、イオン移動を発生させる役割を果たすのである。 A single cell PEM fuel cell is composed of an anode and cathode compartment separated by a thin, ion conducting membrane. This catalyst-added membrane may or may not have a gas diffusion layer, but is often called a membrane electrode assembly (MEA). Energy conversion is initiated when reactants, reducing agent and oxidant are supplied to the anode and cathode compartments of the PEM fuel cell, respectively. The oxidizing agent is pure oxygen, an oxygen-containing gas such as air, and halogens such as chlorine. Reducing agents, also referred to herein as fuels, include hydrogen, natural gas, methane, ethane, propane, butane, formaldehyde, methanol, ethanol, alcohol blends, and other halogen-rich organic materials. At the anode, the reducing agent is oxidized to produce protons that travel across the membrane to the cathode. At the cathode, protons react with the oxidant. The overall electrochemical redox (oxidation / reduction) reaction is spontaneous and energy is released. During this reaction, the PEM plays a role in preventing the mixing of the reducing agent and the oxidizing agent and generating ion migration.
現在の最新技術による燃料電池の設計は、単一セルではなく多数のセルを備えるものであり、実際には、一般にいくつかのMEA、流動場、およびセパレータプレートを直列に組み合わせて、燃料電池「スタック」を形成し、これによって、ほとんどの商業的な用途に必要とされる、より高い電圧と大きな出力とを提供する。流動場は、反応物質の燃料電池内における分散を可能とし、典型的には燃料電池内の多孔性電極層から分離している。スタックの配置に依存して、1つまたは2つ以上のプレートが設計されたスタックの部分として用いられて、燃料、酸化剤および投入された冷却剤または排出される冷却剤の流れが混合し合うのを防止する場合もある。このようなセパレータプレートは、構造上の支持もスタックに与える。 Current state-of-the-art fuel cell designs have a large number of cells rather than a single cell, and in practice, several MEAs, flow fields, and separator plates are generally combined in series to produce a fuel cell “ A "stack" is formed, thereby providing the higher voltage and higher power required for most commercial applications. The flow field allows the reactants to disperse within the fuel cell and is typically separated from the porous electrode layer within the fuel cell. Depending on the stack arrangement, one or more plates can be used as part of the designed stack to mix the fuel, oxidant and input coolant or exhaust coolant flow. In some cases, this can be prevented. Such separator plates also provide structural support to the stack.
バイポーラープレートは、酸化剤流動場、燃料流動場およびセパレータプレートを組み合わせたものと同一の機能を有し、燃料電池の設計に用いられることが多い。バイポーラープレートを用いることによって、機能する燃料電池に必要なコンポーネントの数を減らすことができるからである。これらのバイポーラープレートは、MEAに接触しているプレートの表面に形成され、配列されたチャネルを具備し、該チャネルは、流動場として機能する。ランド部(land)によって電極から電流が伝導されるが、これは、ランド部間のチャネルが、燃料電池に用いられる反応物質を分配し、水のような液体副生物の除去を容易にする役割を果たす間に行われる。燃料は燃料注入ポートから燃料排出ポートに、チャネルに導かれて分配されるが、これはバイポーラープレートの1つの面において行われる。一方、酸化剤は、酸化剤注入ポートから酸化剤排出ポートに、チャネルに導かれて分配されるが、これはバイポーラープレートの対向する面において行われる。これらの2つの面は、プレート全体にわたって連結することはない。燃料電池スタックにおいては、各バイポーラープレートは、スタックの1つのMEAに対して、その燃料流動場面を通して燃料を分配する役割を果たす一方、第二のMEAに対して、その対向する酸化剤流動場面を通して酸化剤を分配する。バイポーラープレート流動場チャネルの個々の設計は、燃料電池の作動パラメータ、例えば温度、エネルギー出力、およびガスの過失度合い、に応じて最適化することができる。理想的なバイポーラープレートは、燃料電池スタックにおいて用いられる場合には、薄く、軽く、耐久性があり、伝導性が高く、耐腐食性を有する構造であり、例えばカーボン/ポリマー複合体、グラファイトまたは金属類である。 Bipolar plates have the same function as a combination of an oxidant flow field, a fuel flow field, and a separator plate, and are often used in fuel cell designs. This is because the number of components required for a functioning fuel cell can be reduced by using a bipolar plate. These bipolar plates are formed on the surface of the plate in contact with the MEA and comprise arranged channels that function as flow fields. Current is conducted from the electrodes by the land, which is the channel between the lands that distributes the reactants used in the fuel cell and facilitates the removal of liquid by-products such as water. It is done while fulfilling. Fuel is distributed from the fuel injection port to the fuel discharge port, channeled to the channel, which is done on one side of the bipolar plate. On the other hand, the oxidant is directed from the oxidant injection port to the oxidant discharge port and distributed through the channel, on the opposite side of the bipolar plate. These two surfaces do not connect across the entire plate. In a fuel cell stack, each bipolar plate serves to distribute fuel through its fuel flow scene to one MEA of the stack, while its opposite oxidant flow scene to a second MEA. Distribute the oxidant through. The specific design of the bipolar plate flow field channel can be optimized depending on the operating parameters of the fuel cell, such as temperature, energy output, and degree of gas fault. An ideal bipolar plate, when used in a fuel cell stack, is a thin, light, durable, highly conductive and corrosion resistant structure such as a carbon / polymer composite, graphite or Metals.
流動場においては、ランド部は電極からの電流を導き、これに対してランド部間の溝は、水素、酸素または空気などの燃料電池によって使用されるガス状の反応物を、電極面上に均一に分配する。ランド部および溝によって形成されるチャネルも、水などの液体反応副生成物の除去を容易にする。通常グラファイトもしくはカーボンで作られる薄い一枚の多孔質の紙、布またはフェルトを、各流動場とMEAの触媒添加面との間に配置して、MEAを支持し、そこにおいて流動場内の溝と直面し、隣接するランド部へ電流を導くとともに、反応物をMEAに分配するのを助ける。この薄膜は通常、ガス拡散層(GDL:gas diffusion layer)と名付けられて、MEAの一部として組み入れられる。 In the flow field, the land portion conducts current from the electrode, while the groove between the land portions allows gaseous reactants used by the fuel cell such as hydrogen, oxygen, or air to flow on the electrode surface. Distribute evenly. The channel formed by the lands and grooves also facilitates removal of liquid reaction byproducts such as water. A thin sheet of porous paper, cloth or felt, usually made of graphite or carbon, is placed between each flow field and the catalyzed face of the MEA to support the MEA, in which grooves in the flow field and Facing and directing current to adjacent lands and helps distribute reactant to MEA. This thin film is usually named the gas diffusion layer (GDL) and is incorporated as part of the MEA.
燃料電池スタックはまた、1つまたは複数の冷却剤流動場内に、加湿チャネルを含むことがある。これらの加湿チャネルは、燃料および酸化剤を燃料電池の動作温度にできる限り近い温度で、燃料および酸化剤に加湿する機構を提供する。これによって、燃料電池に流入するガスとPEMとの大きな温度差によって、水蒸気がPEMから燃料流および酸化剤へ移動することによる、PEMの脱水を防止するのを助ける。加湿チャネルの位置は、Chowらの米国特許第5,382,478号および、Vitaleらの米国特許第6,066,408号に開示されているように、MEAの上流でもよく、あるいはEppらの米国特許第5,176,966号に開示されているようにMEAの下流でもよい。 The fuel cell stack may also include a humidification channel in one or more coolant flow fields. These humidification channels provide a mechanism to humidify the fuel and oxidant at a temperature as close as possible to the operating temperature of the fuel cell. This helps to prevent dehydration of the PEM due to the transfer of water vapor from the PEM to the fuel stream and oxidant due to the large temperature difference between the gas entering the fuel cell and the PEM. The location of the humidification channel may be upstream of the MEA, as disclosed in US Pat. No. 5,382,478 to Chow et al. And US Pat. No. 6,066,408 to Vitale et al. It may be downstream of the MEA as disclosed in US Pat. No. 5,176,966.
必然的に、MEAのGDL部分などの、スタック構成要素のあるものは、反応物および副生成物を、燃料電池スタック中、およびスタック外、またスタック内部に分布させるために多孔質にされる。スタック内の要素に孔隙があることによって、スタック構成要素間(またはスタックの外部)での液体またはガスの漏洩を防止する手段と共に、こらの多孔質要素が環境に暴露されることによって乾燥するのを防止する手段も必要となる。この目的で、通常、ガスケットまたはその他のシール材が、MEAと流動場などのその他のスタック構成要素の間、またはスタック周辺部分の上に設けられる。これらのシール手段は、エラストマー材料または接着材料であり、一般に、シールされる特定の表面に、配置、嵌合、形成されるか、または直接塗布される。このような工程は、労働集約型であり、大量生産には向かず、燃料電池のコストを増大させる。また、これらの工程のばらつきによって、生産歩留とデバイス信頼性が悪化する。 Inevitably, some of the stack components, such as the GDL portion of the MEA, are made porous to distribute reactants and by-products in and out of the fuel cell stack and within the stack. The presence of pores in the elements in the stack allows these porous elements to be dried by exposure to the environment along with means to prevent liquid or gas leakage between the stack components (or outside the stack). Means to prevent this are also required. For this purpose, a gasket or other sealing material is usually provided between the MEA and other stack components such as a flow field or on the periphery of the stack. These sealing means are elastomeric or adhesive materials and are generally placed, fitted, formed or applied directly to the particular surface to be sealed. Such a process is labor intensive, is not suitable for mass production, and increases the cost of the fuel cell. Also, the production yield and device reliability deteriorate due to variations in these processes.
燃料電池は、出力電力、冷却およびその他の技術要件に応じて様々に設計されるが、MEA、シール材、流動場、セパレータプレートを複数用いて精密な組み立体として用いることもあり、これによって製造が困難となるとともに、燃料電池コストがさらに増大する。これら複数の個別のコンポーネントは、典型的には組み立てられて1つの単一複合体ユニットとなる。燃料電池スタックの形成は、前記ユニットを圧縮し、一般的にはエンドプレートおよびボルトが用いられるが、バンディングまたは他の方法を用いることも可能であり、ガスケットシールおよびスタックコンポーネントが固く一緒に保持され、それらの間に電気的な接触が維持されていればよい。これら従来の方法によって圧縮を適用することは、さらに多くのコンポーネントおよび複雑さをスタックに加重し、付加的なシールの必要性を生じせしめることとなる。 Fuel cells are designed in various ways according to output power, cooling, and other technical requirements, but they can also be used as a precise assembly using multiple MEAs, sealing materials, flow fields, and separator plates. The fuel cell cost further increases. These multiple individual components are typically assembled into a single composite unit. The formation of the fuel cell stack compresses the unit, typically using end plates and bolts, but banding or other methods can also be used, with the gasket seal and stack components held tightly together. It is sufficient that electrical contact is maintained between them. Applying compression by these conventional methods will add more components and complexity to the stack, creating the need for additional seals.
他の欠点として、いくつかの燃料電池スタックに関連して見いだされるものは、事実上電気的なものである。例えば、燃料電池の配置および種々のマニホールドであって反応物質および冷却剤を流動場の供給するものにおける反応物質および廃棄物ストリーム、MEAが暴露される度合いに応じて、セル間(cross cell)における電位の問題が生じる場合がある。とくに、MEAがそれらの反応物質に対して著しい暴露を受けると、MEA層の「ショート・アウト」が起きる場合があり、その結果燃料のパフォーマンスは全体的に不十分なものとなる。また、MEAがいくつかの潜在的な冷却液体に暴露されると、膜部分を害する場合がある。例えば、MEAと冷却剤の組み合わせによっては、その冷却剤によって膜の暴露された部分が溶解され、膨潤し、このことによってMEAに対する障害が誘起され得る。 Another disadvantage is that what is found in connection with some fuel cell stacks is electrical in nature. For example, depending on the degree of exposure of the reactants and waste streams, MEAs in the fuel cell arrangement and the various manifolds that supply the reactants and coolant to the flow field, in the cross cells Potential problems may arise. In particular, when MEAs are exposed to significant amounts of their reactants, a “short out” of the MEA layer can occur, resulting in poor overall fuel performance. Also, if the MEA is exposed to some potential cooling liquid, it may harm the membrane portion. For example, depending on the combination of MEA and coolant, the exposed portion of the membrane may be dissolved and swelled by the coolant, thereby causing damage to the MEA.
種々の試みが燃料電池技術においてなされ、燃料電池接合体設計におけるこれらの欠点の解消が試みられ、それによって製造コストの低減が図られた。しかし、大部分は手作業によるコンポーネントの組み立て、シール材の迅速な配置および/または複数ステップによる方法を必要とするものである。
従来法のいくつかは、Schmidtらの米国特許6,080,503号、Chiらの米国特許4,397, 917号、Epp らの米国特許5,176, 966号、Krasijらの米国特許5,264, 299号に記載されている。しかしながら、これらの方法においては、顕著な欠点が解消されないまま残っている。
Various attempts have been made in fuel cell technology to attempt to eliminate these shortcomings in fuel cell assembly design, thereby reducing manufacturing costs. However, most require manual assembly of components, rapid placement of seals and / or multi-step methods.
Some of the conventional methods are described in Schmidt et al. US Pat. No. 6,080,503, Chi et al. US Pat. No. 4,397,917, Epp et al. US Pat. No. 5,176,966 and Krasij et al. US Pat. No. 5,264,299. However, in these methods, significant drawbacks remain unresolved.
例えば、Schmidらの米国特許第6,080,503号は、スタックの特定の部分において、ガスケット方式のシールを、テープ、コーキングまたは層の形態の、接着剤を基とする材料で置換することを記載している。しかしながら、このようなスタックの組立は、シールをコーキングするのと違わない方法で、接着工程中に人手による構成要素の位置合わせが、やはり必要であり、積極配置によって接着剤が塗布されたインタフェースのみにおいてシーリングがされる。
Chiらの米国特許第4,397, 917号は、取り扱いおよび試験を容易にするために、燃料電池スタック内に、サブユニットを製造することを開示している。しかしながら、この設計は、構成要素間およびサブユニット間の従来式のシーリングに依存している。さらに、サブユニットの内部を貫通するマニホールドがない。
For example, US Pat. No. 6,080,503 to Schmid et al. Describes replacing a gasket-type seal with an adhesive-based material in the form of a tape, caulk, or layer in a particular portion of the stack. . However, assembling such a stack is no different from caulking the seal, and still requires manual alignment of the components during the gluing process, only the interface where the adhesive is applied by positive placement. Is sealed.
Chi et al U.S. Pat. No. 4,397,917 discloses manufacturing subunits within a fuel cell stack for ease of handling and testing. However, this design relies on conventional sealing between components and subunits. Furthermore, there is no manifold penetrating the interior of the subunit.
Eppらの米国特許第5,176, 966号も参照されたい。これは、必要なガスケットの少なくとも一部を、燃料電池スタック組立体中に、直接形成する方法を記載している。Krasijらの米国特許第5,264, 299号には、2つの多孔質支持層の間に挟まれたPEMを有する燃料電池モジュールが記載されており、この多孔質支持層は、反応物を触媒層に分布させ、この触媒層内では、支持層の周辺部分が、エラストマー材料でシールされ、これによってPEMが支持層と結合されて、支持層の解放細孔が、エラストマー材料で充填されて、流体不透過性となる。 See also Epp et al. US Pat. No. 5,176,966. This describes a method of forming at least a portion of the required gasket directly in the fuel cell stack assembly. Krasij et al., US Pat. No. 5,264,299, describes a fuel cell module having a PEM sandwiched between two porous support layers, where the porous support layer uses the reactants as catalyst layers. Within this catalyst layer, the peripheral portion of the support layer is sealed with an elastomeric material, whereby the PEM is bonded to the support layer, and the release pores of the support layer are filled with the elastomeric material to prevent fluid flow. It becomes permeable.
さらに、WO 02/093672には、液体樹脂の注入によって燃料電池スタックをシールするための方法が記載されている。この方法は、まずスタックの全てのコンポーネントを組み立て、次にシール材を導入して燃料電池スタックを製造する。この方法によって、既に報告されていた当時の技術にかかる、燃料電池スタックの製造方法がある程度改良されたといえるかもしれないが、問題のいくつかは解消されないままである。例えば、実際場面においては、前記方法においては注入の際に高圧を要し、また充填時間が遅くなる。注入の際の高圧のため、コンポーネントの設計として、スタックのより壊れやすいコンポーネント(すなわちMEA)を保護するものがさらに必要となる。他の主要な欠点として、各層の相当部分の面積を犠牲にする必要があることがある。これはシール工程自体に起因するものである。 Furthermore, WO 02/093672 describes a method for sealing a fuel cell stack by injecting a liquid resin. This method first assembles all the components of the stack and then introduces a seal material to produce a fuel cell stack. Although this method may be said to have improved the manufacturing method of the fuel cell stack according to the technology already reported to some extent, some of the problems remain unresolved. For example, in actual situations, the method requires high pressure during injection and slows the filling time. Due to the high pressure during injection, the component design further requires that the stack's more fragile components (ie MEAs) be protected. Another major drawback is the need to sacrifice a substantial area of each layer. This is due to the sealing process itself.
さらにまた、旧来の燃料電池カセットにおいては、2つのタイプのMEAが主流である。1)膜がガス拡散層の境界を越えて伸展しているMEA、および2)ガスケット材料をMEA自体の端部として形成するMEA(膜およびGDLとして、ほぼ同じ大きさと形を有するものを用いる。例えばBallardの米国特許6,423, 439号を参照)。第一のタイプにおいては、別々のガスケット材料を用いて、GDLを越えて伸展する膜端とスタック(バイポーラープレート)の他の部分とをシールする。第二のタイプにおいては、スタックの他の部分に直接シールすることが可能である。これらの方法はそれぞれ、シールを構成する際に圧縮を必要とする。別々のガスケット材料を用いて、GDLを越えて伸展する膜端とスタック(バイポーラープレート)の他の部分とをシールする。これらの圧縮ベースシールにおいては、スタックの全てのコンポーネントに、高い精度によって均一なロードが維持される必要がある。MEAの供給者は、上記のようなMEAのフォーマットを供給することに習熟することとなった。 Furthermore, in the conventional fuel cell cassette, two types of MEAs are mainstream. 1) MEA in which the film extends beyond the boundary of the gas diffusion layer, and 2) MEA that forms the gasket material as an end of the MEA itself (film and GDL having substantially the same size and shape). (See, for example, Ballard US Pat. No. 6,423,439). In the first type, separate gasket materials are used to seal the membrane edges that extend beyond the GDL and the rest of the stack (bipolar plate). In the second type, it is possible to seal directly to the other part of the stack. Each of these methods requires compression in constructing the seal. A separate gasket material is used to seal the membrane edge extending beyond the GDL and the rest of the stack (bipolar plate). In these compression base seals, a uniform load needs to be maintained with high accuracy across all components of the stack. MEA suppliers have become proficient in supplying the MEA format as described above.
本発明者らは、以前の特許出願において、燃料電池スタックの革新的な設計について報告した。この設計においては、個々のモジュールを一緒に組み立てて、要求される出力電力を有する燃料電池スタックを形成し、各モジュールは数多くのユニット電池を一緒に結合するものである(国際出願WO 02/43173を参照。その全体は参照によって組み入れられる)。 In our previous patent application, we reported on the innovative design of the fuel cell stack. In this design, the individual modules are assembled together to form a fuel cell stack with the required output power, each module joining a number of unit cells together (International Application WO 02/43173). (Incorporated by reference in its entirety).
簡潔に述べれば、WO 02/43173には3段階による製造方法として、燃料電池カセットの製法が詳説されている。その特徴は下記のとおりである:
1)個々の流動場(燃料、酸化剤および冷却剤)が用いられていないマニホールド/ポートの開口のシール。例えば、酸化剤流動場の場合には、(他の層の)燃料と冷却剤の分配のために用いられるポートのシールを、その周縁付近において行い、これらのインプットされたストリームが混ざり合うのを防止しなければならない。
2)膜電極接合体内の全てのポートのシール。MEA層内における反応物質の漏出を防ぐ。
3)(前記のとおりに適切にシールされた)これらのコンポーネントの、型枠またはフィクスチャ内部における、個々のスタック設計に処方された方法による、層としての構築。フィクスチャ内部において構成要素を組み立て、樹脂を周縁に導入する。真空移送モールディングまたはインジェクションモールディングの手法により、樹脂をカセット接合体の端部内に流し込む。硬化すると、接合体全体に構造上の支持と端部のシールが付与される。
Briefly, WO 02/43173 details a method for manufacturing a fuel cell cassette as a three-stage manufacturing method. Its features are as follows:
1) Sealing of manifold / port openings where individual flow fields (fuel, oxidant and coolant) are not used. For example, in the case of an oxidant flow field, the ports used for fuel and coolant distribution (of other layers) are sealed near their perimeters to ensure that these input streams are intermingled. Must be prevented.
2) Seal all ports in the membrane electrode assembly. Prevent leakage of reactants in the MEA layer.
3) Construction of these components (appropriately sealed as described above) as layers, within the formwork or fixture, according to the method prescribed for the individual stack design. Assemble the components inside the fixture and introduce resin into the periphery. The resin is poured into the end of the cassette assembly by vacuum transfer molding or injection molding. Upon curing, structural support and end seals are imparted to the entire assembly.
次に、形成された燃料電池カセットを、エンドプレートを付加することによって燃料電池スタックに変形する。かかる構造によって、適切なマニホールドおよび圧縮手段がもたらされる。
本発明者らは、マニホールドスタックまたはそのモジュールの内部においてマニホールドをシールするための方法、ならびにスタックまたはモジュールの周縁をシールする方法として、作業量が少なく、高容量の製造方法により好適な革新的な方法を開発した(国際出願WO 03/036747およびWO 03/092096を参照。それらの全体は参照によって組み入れられる)。
当技術分野において本発明者らも進歩に寄与はしたものの、より改良された燃料電池スタック設計として、製造がより簡便であり、信頼性がより高く、より低コストであるものの提供が望まれている。また、MEAのロール・トゥ・ロールな製造を用いた燃料電池カセットの製造方法の提供が、この構成要素のコストを著しく低減するため、強く望まれている。
Next, the formed fuel cell cassette is transformed into a fuel cell stack by adding an end plate. Such a structure provides a suitable manifold and compression means.
The inventors have found an innovative and suitable method for sealing a manifold within a manifold stack or its module, as well as a method for sealing the periphery of a stack or module, with less work and a higher capacity manufacturing method. A method was developed (see international applications WO 03/036747 and WO 03/092096, which are incorporated by reference in their entirety).
Although the present inventors have also contributed to progress in this technical field, it is desired to provide an improved fuel cell stack design that is easier to manufacture, more reliable, and less expensive. Yes. In addition, the provision of a method for manufacturing a fuel cell cassette using roll-to-roll manufacturing of MEAs is strongly desired to significantly reduce the cost of this component.
燃料電池カセットとして、MEAが種々のマニホールドの周囲にある反応物質、廃棄物ストリーム、または冷却液に暴露されるのを低減または防止し、クロス・セルポテンシャル(cross-cell potential)の問題または前記暴露に関連して生じる材料の不適合を改良したものの開発も強く望まれている。さらにまた、燃料電池カセットとして、低減されたインジェクション圧において形成されてコンポーネントの設計がシンプルであり、各層の相当部分の面積を犠牲にする必要がないものの開発も強く望まれている。 As a fuel cell cassette, the MEA is reduced or prevented from being exposed to reactants, waste streams, or coolants around various manifolds, cross-cell potential problems or said exposure There is also a strong demand for the development of an improved material incompatibility associated with this. Furthermore, development of a fuel cell cassette that is formed at a reduced injection pressure and that has a simple component design and does not require sacrifice of the area of a substantial portion of each layer is also strongly desired.
発明の概要
本発明は、従来のスタックおよび製造方法であって上記を含むものに顕著な改良を与えるものである。とくに、本発明は、改良された電気化学カセットおよび燃料電池カセットとして、MEAを用いる燃料電池スタックを与える。本明細書においては、「複合MEA」(composite MEA)とは、通常の積層されたMEAのうち、イオン伝導膜(ICM)を、2つのガス拡散層(GDL)の間に挿入して有し、該イオン伝導膜は次に積層の周縁付近に、非多孔性のインシュレーティングガスケットに接合されるものを意味するものとする。シールされた各スタックモジュールは、本明細書においては「燃料電池カセット」または「電気化学カセット」と呼ぶが、これらは電気化学コンポーネントであって、内部に接合されたマニホールドを有し、シールされて自己含有ユニット(self-contained unit)を形成するものの接合体である。これらの電気化学カセットまたは燃料電池カセットは、標準の仕様に適合するように設計することができる。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a significant improvement over conventional stacks and manufacturing methods, including those described above. In particular, the present invention provides a fuel cell stack using MEA as an improved electrochemical cassette and fuel cell cassette. In this specification, “composite MEA” is an ordinary stacked MEA having an ion conductive membrane (ICM) inserted between two gas diffusion layers (GDL). The ion conductive film is meant to be bonded to a non-porous insulating gasket next to the periphery of the laminate. Each sealed stack module is referred to herein as a “fuel cell cassette” or “electrochemical cassette,” which is an electrochemical component having a manifold joined therein and sealed. A joined body that forms a self-contained unit. These electrochemical cassettes or fuel cell cassettes can be designed to meet standard specifications.
本発明においては、シールチャネルの形成が、複合MEAのガスケットにおいて行われる。このことによって、スタックの他の部分が顕著に簡素化され、とくに非多孔性セパレータプレートの簡素化が著しい。平らなMEAの周囲にエッジガスケットを形成する代わりに、複合膜を作製し、複合MEAのガスケット内にシールチャネルを取り込むガスケットを具備せしめる。続いてスタックをシンプルな流動場(金属のスクリーン)および平らなセパレータプレート(例えばシートストック)とともに、またはバイポーラープレートコンポーネントを用いて、作製する。カセットの製造の間に、シール材をスタックの端部から(またはスタックコンポーネントのシール材孔から)導入する。シール材はMEAのガスケットに導入されたチャネルを移動し、ガスケットおよびセパレータプレートに接合する。 In the present invention, the formation of the seal channel is performed in the gasket of the composite MEA. This significantly simplifies the rest of the stack, especially the non-porous separator plate. Instead of forming an edge gasket around a flat MEA, a composite membrane is made and provided with a gasket that incorporates a seal channel within the composite MEA gasket. The stack is then made with a simple flow field (metal screen) and a flat separator plate (eg sheet stock) or using bipolar plate components. During the manufacture of the cassette, sealant is introduced from the end of the stack (or from the sealant hole of the stack component). The sealing material moves through the channel introduced in the gasket of the MEA and joins the gasket and the separator plate.
本発明において好ましいカセットは、一般に少なくとも1つの膜電極接合体を備えていているところ、該膜電極接合体は少なくとも2つのプレートとの接触に適合したものであり、該プレートは、それぞれ1つまたは2つ以上の流動場を具備している。各流動場は、少なくとも1つの溝(groove)または他の管を具備し、該溝または他の管は流動場を通る流動を促進するかまたは他の場合にはそれを可能にする。別個の流動場が、酸化剤流動場、燃料流動場、および冷却剤流動場から選択される。流動場は、セパレータプレート、例えばバイポーラープレートの表面に一体化されていてもよく、流動場は、別異の多孔性コンポーネントであって、気体または液体が、流動場と接触する実質的に全てのMEAと接触するようにするものであってもよい。 Preferred cassettes in the present invention generally comprise at least one membrane electrode assembly, the membrane electrode assembly being adapted for contact with at least two plates, each plate being one or It has two or more flow fields. Each flow field comprises at least one groove or other tube that facilitates or otherwise allows flow through the flow field. A separate flow field is selected from an oxidant flow field, a fuel flow field, and a coolant flow field. The flow field may be integrated on the surface of a separator plate, such as a bipolar plate, and the flow field is a separate porous component in which substantially all gas or liquid is in contact with the flow field. You may make it contact with MEA.
好ましいカセットであって別異の流動場コンポーネント、例えば流動場スクリーン、を有するものにおいては、隣接する複合MEAおよびセパレータプレートによって空間が画定され、該空間においては流動場が接合の間に設置される。本発明においては、各膜電極接合体および各プレートは、少なくとも1つの酸化剤マニホールド開口および少なくとも1つの燃料マニホールド開口を備え、各マニホールド開口はカセットの厚さにわたって伸長している。各複合MEAは、好ましくは少なくとも1つのシール材チャネルを具備し、かかるシール材チャネルは少なくともその厚みの一部分にわたって伸長し、各セパレータプレートまたはバイポーラープレートは、任意に1つまたは2つ以上のシール材チャネルをさらに具備し、かかるシール材チャネルは少なくともその厚みの一部分にわたって伸長している。 In preferred cassettes with different flow field components, such as flow field screens, a space is defined by adjacent composite MEA and separator plates, in which the flow field is located during joining. . In the present invention, each membrane electrode assembly and each plate comprises at least one oxidant manifold opening and at least one fuel manifold opening, each manifold opening extending through the thickness of the cassette. Each composite MEA preferably comprises at least one sealant channel, such sealant channel extending over at least a portion of its thickness, and each separator plate or bipolar plate optionally has one or more seals. Further comprising a material channel, such sealant channel extending over at least a portion of its thickness.
本発明においてはまた、前記1つまたは2つ以上の膜電極接合体およびプレートを組み立て、その周縁部においてシール材によってカプセル化する。シール材は同時に1つまたは2つ以上の複合MEAの各チャネルをシールし、任意に1つまたは2つ以上のプレートをシールし、1つまたは2つ以上のマニホールド開口またはマニホールドポートであってその近傍にあるものを選択的にブロックする。このようにして、各特定の層の内部のマニホールド開口のうちあるものは閉鎖され、あるものは開放されるように選択的に維持され、望ましくない流動が減じられるかまたは排除される。 In the present invention, the one or more membrane electrode assemblies and the plate are assembled and encapsulated with a sealing material at the peripheral edge thereof. The sealant seals each channel of one or more composite MEAs at the same time, optionally one or more plates, and one or more manifold openings or manifold ports Block nearby objects selectively. In this way, some of the manifold openings within each particular layer are closed and some are selectively kept open so that undesirable flow is reduced or eliminated.
シール材口(任意)および複合MEAの内部にカットされたかまたは他の場合には形成されたチャネルの個数、形、および配置を通して、シール樹脂を接合体に導入し、接合体の周縁をシールし、接合体内部のいくつかのマニホールドポートをシールする。ある好ましい態様においては、シール材孔およびチャネルまたは溝が、複合MEAの周縁のガスケットに導入される。これはガスケットを形成し、従来のMEAに接合する間に行われる。改良された本発明の燃料電池ガスケットは、従来の燃料電池コンポーネントから製造することが可能であり、インジェクションモールディングおよび真空利用樹脂移送(vacuum assisted resin transfer)モールディング法のいずれをも用いることができる。 Through the number, shape, and arrangement of channels cut or otherwise formed within the sealant port (optional) and composite MEA, a seal resin is introduced into the assembly and the periphery of the assembly is sealed. Seal several manifold ports inside the assembly. In certain preferred embodiments, sealant holes and channels or grooves are introduced into the peripheral gasket of the composite MEA. This is done while forming the gasket and joining it to a conventional MEA. The improved fuel cell gasket of the present invention can be manufactured from conventional fuel cell components, and can use both injection molding and vacuum assisted resin transfer molding methods.
本発明によって、燃料電池スタックの製造が最小限の労力によって可能となり、その結果製造コストが飛躍的に軽減され、製造のオートメーション化が可能となる。さらに、本発明においては、マニホールド開口のシールはシール材の燃料電池コンポーネントへの接着によって行われ、エンドプレートの圧縮または他の圧縮手段によるものではない。このことによって最終段階のスタックにおいて必要とされていた圧縮を減じることが可能となり、シールの確実性を向上せしめ、電気的な接触を改善せしめ、より多種にわたる樹脂の使用が可能となる。さらに、エンドプレートは燃料電池カセットにモールドしてもよく、それによってスタック全体(例えばカセットおよびエンドプレート)を一工程で製造することもできる。 According to the present invention, the fuel cell stack can be manufactured with a minimum of labor, and as a result, the manufacturing cost can be drastically reduced and the manufacturing can be automated. Further, in the present invention, the manifold opening is sealed by adhesion of the sealant to the fuel cell component and not by end plate compression or other compression means. This can reduce the compression required in the final stack, improve seal reliability, improve electrical contact, and allow the use of a wider variety of resins. In addition, the end plate may be molded into a fuel cell cassette, whereby the entire stack (eg, cassette and end plate) can be manufactured in one step.
ある好ましい態様において、本発明は燃料電池として複合MEAを有し、該複合MEAにおいてGDLおよび膜が実質的に同一の全体的な外形を有し、隣接する流動場(流動場スクリーンまたは隣接するバイポーラープレートの流動場)と相互に同一の全体的な外形を有するものを提供する。周縁に接合されたガスケットは、複合MEAの外形全体に増大し、組み立てられたスタックのプロファイルの外形とほぼ同一に増大する。これらの燃料電池の利点の1つは、ロール・トゥ・ロールにMEAを直接用い得ることおよびスタックに導入されたMEAの作業面積を最大限にすることである。すなわち、MEAの面積のうちカセットの他のコンポーネントへの接合(またはシール)に用いられる面積が、周縁のエッジガスケットを導入することによって低減されるのである。さらに、周縁ガスケットによって、MEAが反応物質のうちカセットのマニホールドに存在するものと相互作用することを防ぐことが可能となり、クロス・セルを防ぐかまたは減じることができる。本発明の好ましい複合MEAの製造は、モールドした、MEAの周辺の周縁エッジガスケットを形成することによって行うことができる。そのモールドは、周縁ガスケットに特定のパターンからなるチャネルまたは溝を転写できるモールドを用いて行われる。典型的には、インジェクションモールディング法または加圧(または真空)利用樹脂移送モールディング法を用いて複合MEAを形成する。 In certain preferred embodiments, the present invention has a composite MEA as a fuel cell, in which the GDL and the membrane have substantially the same overall profile and are adjacent flow fields (flow field screens or adjacent bins). And a polar plate flow field) having the same overall external shape. The gasket bonded to the periphery increases to the overall profile of the composite MEA and increases approximately the same as the profile of the assembled stack profile. One of the advantages of these fuel cells is that they can be used directly on a roll-to-roll basis and maximize the working area of the MEA introduced into the stack. That is, of the area of the MEA, the area used for joining (or sealing) the cassette to other components is reduced by introducing a peripheral edge gasket. In addition, the peripheral gasket can prevent the MEA from interacting with reactants present in the cassette manifold, and can prevent or reduce cross-cells. A preferred composite MEA of the present invention can be manufactured by forming a molded peripheral edge gasket around the MEA. The molding is performed using a mold capable of transferring a channel or groove having a specific pattern to the peripheral gasket. Typically, the composite MEA is formed using an injection molding method or a pressure (or vacuum) -based resin transfer molding method.
シール工程を説明すると以下のとおりである。シール材の移動が、複合MEAの周縁部のチャネルに存在するガスケットを通って、および任意にバイポーラプレートまたはセパレータプレートに刻まれたチャネルを通って行われ、複合MEAおよび隣接するプレートの両方を接合せしめ、流体に対して堅固なシール(fluid tight seal)を形成する。ある態様においては、バイポーラプレートの1つまたは2つ以上のチャネルまたは溝が、GDL−ガスケットインターフェースに対して位置決めされ、チャネルに導入されたシール材がチャネル近傍のGDLの部分にも接合し、シール効率を向上せしめ、複合MEA−プレートの接合を増大せしめることが好ましい。 The sealing process will be described as follows. The seal material is moved through the gasket present in the peripheral channel of the composite MEA and optionally through the channel engraved in the bipolar plate or separator plate to join both the composite MEA and the adjacent plate. And forms a tight seal against the fluid. In some embodiments, one or more channels or grooves of the bipolar plate are positioned with respect to the GDL-gasket interface, and the seal material introduced into the channels also joins the portion of the GDL near the channel to seal It is preferable to increase efficiency and increase composite MEA-plate bonding.
本発明によって、複合MEAを具備する燃料電池が供給される。複合MEAは、好ましくはガスケットとしてMEAの積層構造の周辺に固定されたものを具備する。複合MEAを具備する好ましい燃料電池においては、周辺のガスケットの外形は、スタックプロフィールの外形とほぼ同一の大きさである。MEAの活性部分は、組み立てスタックの上下の反応流動場とほぼ整列するように設置される。セパレータプレートおよび流動場スクリーンを用いるあるカセットにおいては、複合MEAのガスケット部分は、典型的にはMEAの積層構造より大きい厚みを有する。典型的には、周縁のガスケットは、少なくとも流動場スクリーンの厚みの分、MEAの積層構造の表面を越えて広がる。ある好ましい態様においては、カプセル化の間の圧縮によって周縁のガスケットの圧縮が誘発され、その結果ガスケットの厚みが減少する。このようにして、好ましい周縁のガスケットは、少なくとも流動場スクリーンの厚みの分、MEAの積層構造の表面を越えて広がるのである。 According to the present invention, a fuel cell comprising a composite MEA is supplied. The composite MEA preferably comprises a gasket fixed around the MEA laminate structure. In a preferred fuel cell with a composite MEA, the outer gasket profile is approximately the same size as the stack profile profile. The active part of the MEA is placed so that it is approximately aligned with the reaction flow fields above and below the assembly stack. In some cassettes using separator plates and flow field screens, the gasket portion of the composite MEA typically has a thickness that is greater than the MEA laminate structure. Typically, the peripheral gasket extends beyond the surface of the MEA laminate structure by at least the thickness of the flow field screen. In certain preferred embodiments, compression during encapsulation induces compression of the peripheral gasket, resulting in a reduction in gasket thickness. In this way, a preferred peripheral gasket extends beyond the surface of the MEA laminate structure at least by the thickness of the flow field screen.
本発明のカセットを製造する方法として好ましい方法は、一般的にカセットの種々の構成要素(例えば、1つまたは2つ以上のMEAおよびプレート。これらはそれぞれ個々のマニホールド開口を具備する。本明細書においてさらに説明する)を、企図するアプリケーション(application)に適切な大きさおよび数として供給する工程、前記構成要素を組み立て、前記アプリケーションにおけるアウトプットの要求を支持する設計配置とする工程、そして複合MEAに存在する(および任意に前記プレートに存在する)、あるチャネルにシール材を導入する工程を含む。それらのプレートをシールすることによって、あるマニホールド開口のうち、特定の流動場に材料を送達することが意図されていないものが選択的にブロックされ、その結果望ましくない流動が防がれるか、または少なくとも実質的に減じられる。また、シール材によって、複合体の周縁の封止を、チャネルと同時に行うことができる。
関連する側面を以下に説明する。
The preferred method for producing the cassette of the present invention is generally the various components of the cassette (eg, one or more MEAs and plates, each with individual manifold openings. Providing the appropriate size and number for the intended application, assembling the components into a design arrangement that supports the output requirements in the application, and a composite MEA (And optionally present in the plate) introducing a sealing material into a channel. Sealing the plates selectively blocks certain manifold openings that are not intended to deliver material to a particular flow field, thereby preventing unwanted flow, or At least substantially reduced. Further, the sealing material can seal the periphery of the composite simultaneously with the channel.
Related aspects are described below.
図1は、本発明の燃料電池スタックの一態様を図示したものである。
図2は、図3および図4に記載の型枠を用いて、樹脂の真空利用樹脂移送およびMEAによって製造した複合MEAの写真イメージである。
図3は、本発明のスタックにおいて用いるのに適した、ある複合MEAの形成に適した型枠の上底面の模式図である。
図4は、図3に模式的に示した型枠の写真イメージである。
図5は、MEAの周縁領域付近にガスケットを具備する複合MEAを図示したものである。
図6は、シール材チャネルを導入した端部ガスケットを具備する複合MEAの断面図である。
図7A−Bは、高くなった稜線(elevated ridge)および盛り上がった(raised)チャネルを具備する周縁ガスケットを備えた複合MEAの上底面および側面の模式図である。
FIG. 1 illustrates an embodiment of a fuel cell stack according to the present invention.
FIG. 2 is a photographic image of a composite MEA produced by vacuum resin transfer and MEA using the mold described in FIGS. 3 and 4.
FIG. 3 is a schematic diagram of the top and bottom surfaces of a formwork suitable for forming a composite MEA suitable for use in the stack of the present invention.
FIG. 4 is a photographic image of the formwork schematically shown in FIG.
FIG. 5 illustrates a composite MEA having a gasket in the vicinity of the peripheral area of the MEA.
FIG. 6 is a cross-sectional view of a composite MEA having an end gasket with a sealant channel introduced.
FIGS. 7A-B are schematic illustrations of the top and bottom surfaces of a composite MEA with a peripheral gasket with elevated ridges and raised channels.
図8A−Bは、レリーフによって表面に導入された流動場を具備するバイポーラープレートの上底面および側面の模式図である。
図9は、図10に図示した構成要素の接合体によって製造したスタックのイメージ図である。
図10は、例1に記載され、図9に図示されたスタックを組み立てるために用いられる構成要素の接合体の写真図である。上面およびプレート(1)、フロースクリーン(2、4、6および8)、2つの複合MEA(3と7)、分離プレート(5)を含む。底部エンドプレート(9)は図示されていない。
図11は、図2に示された複合MEAのシール材樹脂を盛り上がったチャネルおよび複合MEAの周縁付近に導入した後の、複合MEAのイメージ図である。
図12は、本発明のバイポーラプレートの酸化剤流動場の面の上底面の図である。
図13は、本発明において用いられる、シール材の溝およびシール材の孔の設計の図である。
8A-B are schematic views of the upper and lower surfaces and side surfaces of a bipolar plate having a flow field introduced into the surface by relief.
FIG. 9 is an image diagram of a stack manufactured by the assembly of the components shown in FIG.
FIG. 10 is a photograph of a component assembly described in Example 1 and used to assemble the stack illustrated in FIG. Includes top and plate (1), flow screens (2, 4, 6 and 8), two composite MEAs (3 and 7), separation plate (5). The bottom end plate (9) is not shown.
FIG. 11 is an image view of the composite MEA after introducing the sealing material resin of the composite MEA shown in FIG. 2 into the raised channel and the vicinity of the periphery of the composite MEA.
FIG. 12 is a top and bottom view of the surface of the oxidant flow field of the bipolar plate of the present invention.
FIG. 13 is a diagram of the design of sealant grooves and sealant holes used in the present invention.
図14は、本発明において用いられる、シール材の溝およびシール材の孔の他の態様の設計の図である。
図15は、本発明において用いられる、シール材の溝およびシール材の孔の他の態様の設計の図である。
図16は、燃料電池接合体が型枠に入り封止前の状態の写真イメージ図である。
図17は、接合されたエンドプレートを具備する、本発明の燃料電池カセットの上底面および側面の模式図である。
FIG. 14 is a diagram of the design of another embodiment of the sealant groove and sealant hole used in the present invention.
FIG. 15 is a diagram of the design of another embodiment of the sealant groove and sealant hole used in the present invention.
FIG. 16 is a photographic image view of the state before the fuel cell assembly enters the mold and is sealed.
FIG. 17 is a schematic view of the upper bottom surface and the side surface of the fuel cell cassette of the present invention having joined end plates.
発明の詳細な説明
本発明によって、種々のカセットとして電気化学的なアプリケーションに適したものが提供される。上記のとおり、本発明のカセットは、燃料電池における使用にとくに好適である。
燃料電池アプリケーションにおいて用いるために、本発明のカセットは、典型的にはスタックされた接合体(assembly)の形態をとり、以下の構成要素を備える:複合膜電極接合体(複合MEA)、流動場およびセパレータプレート。
Detailed Description of the Invention The present invention provides various cassettes suitable for electrochemical applications. As described above, the cassette of the present invention is particularly suitable for use in a fuel cell.
For use in fuel cell applications, the cassette of the present invention typically takes the form of a stacked assembly and comprises the following components: composite membrane electrode assembly (composite MEA), flow field And separator plates.
ここで図面を参照すると、図1は本発明の燃料電池スタック10の一態様である。燃料電池カセット1は本明細書に記載の方法によって形成され、あらゆる個数の複合MEA、冷却剤流動場および流動場およびセパレータプレートまたはバイポーラプレートを具備する。燃料電池カセット1は、圧縮手段5を介して、上部および底部エンドプレート3aおよび3bの間に挿入される。燃料電池カセットは、ターミナルプレートまたはエンドプレートをカセットの上部および底部に用いてもよいが、その場合のターミナルプレートは、バイポーラプレートの構造の半分(1つの流動場のみ)からなるものである。複合MEAの組み立ては、本技術分野において公知の材料または市販の材料を用いてよい。
Referring now to the drawings, FIG. 1 is an embodiment of a
好ましい態様においては、積層されたMEAの製造を、触媒を受けたカーボン紙のホットプレスをNAFION(E.I.Dupont de Memours and Company, U.S.A.より購入可能)の両面に行うことによって行う。前記積層されたMEAは、型枠および周縁ガスケットに入れ、それを積層されたMEAの端部に接合せしめ、真空利用樹脂移送、インジェクションモールディングなどによって形成される。燃料15、酸化剤19、および冷却剤17の注入口および排出口も示されている。
In a preferred embodiment, laminated MEA is made by hot pressing a carbon paper catalyzed on both sides of NAFION (available from E.I. Dupont de Memours and Company, U.S.A.). The laminated MEA is put into a mold and a peripheral gasket, and is joined to the end of the laminated MEA, and is formed by transferring resin using vacuum, injection molding or the like. The inlets and outlets for
本発明の好ましい複合膜電極接合体として、燃料電池カセットにおける使用に適したものの例を図5示す。図示したように、複合MEAは積層された膜電極接合体13を備えているところ、かかる膜電極接合体はその周縁付近をガスケット52によって囲まれている。ガスケット52は、熱硬化性または熱可塑性のエラストマー材料によって構成される。典型的には、好ましいものは、膜電極接合体としてガスケットが熱硬化性材料、とくにシリコーン材料から構成されているものである。複合MEAとして平らな周縁のガスケットを具備するものは市販されているが、パターンを有する周縁ガスケットを具備し、そのパターンによってシール材の分配が、シール工程の間にカセットを通してなされるものは知られていない。すなわち、従来の複合MEAにおいて、周縁ガスケットとして1つまたは2つ以上の溝、チャネル、またはポートを具備し、これらがシール材をシール工程の間に分配するように設計されているものはない。
FIG. 5 shows an example of a preferable composite membrane electrode assembly of the present invention suitable for use in a fuel cell cassette. As shown in the figure, the composite MEA includes a laminated
MEAの内部のGDLが孔を有しているため、MEAの周縁に形成されたガスケットはGDLの内部に入り込み、MEAと接合してGDLの端部を隠す。複合MEA50の、ガスケットを形成した後の写真イメージが図2であり、複合MEA50の調製はプレカットしたMEAを、図3に模式的に示し図4に写真で示した型枠に入れ、ガスケットの周縁付近に真空利用樹脂移送モールディング(真空による吸引を図3および図4の中心孔を通して行う)またはインジェクションモールディングによって行う。典型的には、1つまたは2つ以上のチャネルまたは溝が周縁ガスケットに形成されるが、これはモールドまたはガスケットに存在するパターンを転写することによって、製造工程の間に行われる。従来の方法においては、ポリマー膜を必要とするが、これはGDLを越えてシール目的のフレームを与えるためである。したがって、このことによって、製造コストの増大することとなる。
Since the GDL inside the MEA has a hole, the gasket formed on the periphery of the MEA enters the inside of the GDL and joins with the MEA to hide the end of the GDL. Fig. 2 shows a photographic image of the
これとは対照的に、本発明におけるシールは、GDLとポリマー膜が実質的に同じ大きさおよび形において行うことができる。ガスケットの樹脂はポリマー膜に接合し、GDLの端部に浸入する。これは有利なことであるって、その理由は、本発明において用いられる複合MEAの作製が、連続して行うことによって製造コスト削減が達成せられることとなり、用いる積層MEA(ポリマー膜およびGDL)の量はより少量となり、電池またはスタックの効率を、クロスポテンシャルを防ぐことによって増大せしめることができるからである。さらに、好ましいモールディング工程においては、複数の複合MEAの製造を、2つまたは3つ以上の型枠を用いることによって行うことが考慮されている。これは図3および4に続けて示してある。 In contrast, sealing in the present invention can be performed with the GDL and the polymer membrane being substantially the same size and shape. The gasket resin is bonded to the polymer film and penetrates into the end of the GDL. This is advantageous because the production of the composite MEA used in the present invention can be continuously performed to achieve manufacturing cost reduction, and the laminated MEA used (polymer film and GDL). This is because the amount of is smaller and the efficiency of the battery or stack can be increased by preventing cross potential. Furthermore, in the preferred molding process, it is considered to produce a plurality of composite MEAs by using two or more molds. This is shown following FIGS. 3 and 4.
1つの好ましい態様においては、全ての燃料電池の構成要素が、ほぼ同一の形の周縁を有するように切られている。マニホールド開口またはポートのシリーズの2つ、各反応物質の流動の注入開口および排出開口を流動場および(バイポーラ)プレートに切り、カセットを通る燃料の流動および酸化剤の流動のためのマニホールドを与える。好ましくは、マニホールド開口またはポートを複合MEAの周縁ガスケットに切るかまたは形成する。 In one preferred embodiment, all fuel cell components are cut to have a substantially identical periphery. Two of the manifold openings or series of ports, the inlet and outlet openings for each reactant flow, are cut into flow field and (bipolar) plates to provide a manifold for fuel flow and oxidant flow through the cassette. Preferably, a manifold opening or port is cut or formed in the peripheral gasket of the composite MEA.
別の態様においては、1つまたは2つ以上の冷却剤流動場も用いる。かかる例においては、ポートの追加のシリーズを、各構成要素に切り、冷却剤の投入の流動および除去の流動を、カセットを通るように与える。シール溝を各(バイポーラ)プレートの冷却剤流動場に隣接しているものに切る。これを通してシール材を導入し、用いられていないポートの封止を燃料電池複合体全体のシールと同時に行い、燃料電池カセットを形成することができる。これとは別に、前記複合MEAの形成を、同様な溝構造によって行うこともできる。前記のような形および配置のシール溝を各構成要素に用いることによって、シール材の構成要素への流入を制御することができる。溝のカットは、特定の層におけるシールしないポートを囲むように行うことはない。 In another embodiment, one or more coolant flow fields are also used. In such an example, additional series of ports are cut into each component to provide coolant input flow and removal flow through the cassette. Cut the seal groove into the (bipolar) plate adjacent to the coolant flow field. Through this, a sealing material is introduced, and the unused ports are sealed simultaneously with the sealing of the entire fuel cell complex, thereby forming a fuel cell cassette. Alternatively, the composite MEA can be formed by a similar groove structure. By using the seal groove having the shape and arrangement as described above for each component, the inflow of the seal material into the component can be controlled. Groove cuts do not surround unsealed ports in a particular layer.
溝の長さと幾何学的形状によっては、前記接合体の端部からのシール材の流動は、ポートを完全に封止するために適切でない場合がある。そのような場合には、シール材孔を構成要素に切り込み、追加のシール材をシール溝に直接導くようにする。
図12〜15に図示されているのは、種々のバイポーラプレートとしてシール材チャネルまたは溝およびシール材ポートを有し、それらがバイポーラプレートの端部およびポートを封止するように設計されているものである。これらのバイポーラプレートの設計は、WO03/092096において報告されている。その全体を、参照として組み入れる。
Depending on the length and geometry of the groove, the flow of sealant from the end of the assembly may not be appropriate to completely seal the port. In such a case, the sealing material hole is cut into the component so that the additional sealing material is guided directly into the sealing groove.
Illustrated in FIGS. 12-15 are various bipolar plates having sealant channels or grooves and sealant ports that are designed to seal the ends and ports of the bipolar plate. It is. The design of these bipolar plates is reported in WO03 / 092096. The entirety of which is incorporated by reference.
本発明においては、シール材溝、チャネルおよびシール材マニホールドポートのそれぞれを、本発明の複合MEAの周縁ガスケットにおけるチャネル、溝およびポートとして導入してもよい。
例えば、図12には、バイポーラプレートとして、シール溝を切り込んで有するもののシールパターンが示されている。該パターンは、本発明との関連において好適に用いられる。シール溝23をバイポーラプレート20の各側面に付加する。かかるシール溝23は、バイポーラープレートの表面の流動場のチャネルパターン11とは接続されないものであるところ、その理由は、流動場のチャネルパターン11は、妨害されることなくカセットを通る反応物質の流動を適切に与えるものでなければならないからである。
In the present invention, each of the seal material groove, channel and seal material manifold port may be introduced as a channel, groove and port in the peripheral gasket of the composite MEA of the present invention.
For example, FIG. 12 shows a seal pattern of a bipolar plate having cut grooves. The pattern is preferably used in the context of the present invention.
これらのシール溝の設計は、バイポーラプレート20の燃料流動場面において、燃料ポート15が開いたままで燃料が分配され、残りの酸化剤ポート19および冷却剤ポート17がシールされるようになっている。バイポーラプレート20の、対向する酸化剤流動場面においては、酸化剤ポート19は開いたままとなって、他の全てのポートがシールされている間に酸化剤を分配する。したがって、シール溝23は、燃料注入ポートおよび燃料排出ポート15ならびに冷却剤注入ポートおよび冷却剤排出ポート17を囲むが、酸化剤注入ポートならびに酸化剤排出ポート19は囲まない。
The design of these seal grooves is such that in the fuel flow scene of the
ここで図13を参照すると、バイポーラープレート20の別のシール溝23およびシール材孔21の設計が示されている。シール材孔21が用いられ、シール材はシール材孔21から引き出されて(または押し出されて)、燃料ポート15および冷却剤ポート17を囲むシール溝23に達し、シール材は複合体の周縁から引き出され、構成要素の周縁のみをシールする。シール材孔の付加をMEAに行わなければならない。
Referring now to FIG. 13, another
シール溝およびシール材孔の設計の他の態様としてバイポーラープレート20に設けたものを図14に示した。図示されているとおり、シール材はシール材孔21から引き出され、燃料ポート15および冷却剤ポート17をシールする。外周9および該溝を囲むシール溝23は、シール溝のうち接合体の外周9の周囲にあるものから隔離されている。この態様においては、外周の接合に接合体全体を外部においてカプセル化することは必要ではないところ、これは熱を除去する観点から有利である。
図15には、シールチャネルおよびシール材孔のパターンとして、シール溝23がシール材を外周9およびシール材孔21を通して供給され、燃料ポート15および冷却剤ポート17をシールする、さらに別異の態様を図示した。
FIG. 14 shows another example of the design of the seal groove and the seal material hole provided in the
In FIG. 15, as another pattern of the seal channel and the sealant hole, a
適切なシール材孔および/またはシールチャネルが刻まれ、もしくは燃料電池の各構成要素に上記のように形成された後、構成要素の組み立てを所望のカセットの設計および必要な出力に従って行う。燃料電池スタックの接合体として、バイポーラープレートを用いるものには、ターミナルプレートとしてバイポーラープレートの半分の構造、すなわち流動場フェースが1つだけのもの、を導入したものを含んでもよい。
極めて基本的な接合体の設計においては、複合MEAを2つのターミナルプレートの間に挿入するところ、これらのターミナルプレートは、各々1つの流動場パターンを、その1つの面に有する。すなわち、各ターミナルプレートは、流動場をレリーフまたはエッチとして1つの表面に有し、複合MEAとともに組み立てられて1つの燃料電池を形成する。しかし、他の好ましい態様においては、接合体の設計は次の順番で、ターミナルプレート、複合MEA、1つまたは2つ以上の反復ユニットとして(1)バイポーラープレートおよび(2)複合MEAからなるもの、ならびに第2のターミナルプレート、を具備する。
After the appropriate sealant holes and / or seal channels have been carved or formed on each component of the fuel cell as described above, the components are assembled according to the desired cassette design and required output. Those using a bipolar plate as the assembly of the fuel cell stack may include a terminal plate having a half structure of the bipolar plate, that is, one having only one flow field face.
In a very basic joint design, a composite MEA is inserted between two terminal plates, each of which has a flow field pattern on one side thereof. That is, each terminal plate has a flow field on one surface as a relief or etch and is assembled with a composite MEA to form one fuel cell. However, in another preferred embodiment, the assembly design is in the following order: terminal plate, composite MEA, one or more repeating units consisting of (1) bipolar plate and (2) composite MEA , As well as a second terminal plate.
さらにバイポーラープレートおよび複合MEAをカセット接合体に付加してもよい。この場合、冷却層は、完成後の燃料電池における必要な出力よってはあってもなくてもよい。典型的には、燃料電池として複数の複合MEAを具備するものは、反復ユニットとして1〜約10個の複合MEAを、冷却層の間に挿入して備える。より典型的には、約2〜約4個の複合MEAを、冷却層の間に挿入して備えるところ、かかる冷却層はパワーの密度および十分な熱除去を、カセットまたはスタック全体にわたって最大化するようにバランスをとる。 Furthermore, a bipolar plate and a composite MEA may be added to the cassette assembly. In this case, the cooling layer may or may not depend on the required output in the completed fuel cell. Typically, a fuel cell comprising a plurality of composite MEAs comprises 1 to about 10 composite MEAs inserted between cooling layers as repeat units. More typically, between about 2 and about 4 composite MEAs are inserted between the cooling layers, such cooling layers maximize power density and sufficient heat removal across the cassette or stack. To balance.
例としての接合体の設計について記載したが、当業者であれば燃料電池に所望の数の構成要素を接合せしめ、アウトプットとして最終的な燃料電池カセットに必要なものに対応することができることを認識するはずである。さらに、当業者であれば、複合MEAとして本明細書に記載されたものは、カセットの設計として、国際公報WO 02/43173、WO 03/036747および WO 03/092096に記載されたあらゆるものに適合することも認識するはずである。これらの国際公報の全体は、参照として本明細書に取り込まれる。 Although the example assembly design has been described, those skilled in the art will be able to join the fuel cell with the desired number of components to accommodate the output required for the final fuel cell cassette. Should be recognized. Furthermore, those skilled in the art will understand that what is described herein as a composite MEA conforms to any of the cassette designs described in International Publications WO 02/43173, WO 03/036747 and WO 03/092096. You should also recognize what to do. The entirety of these international publications is incorporated herein by reference.
個々の設計とは無関係に、構成要素の組み立ては、接合体における各構成要素のポートが残りの構成要素のポートに対して位置決めされて配置される。図16に示したように、接合体30は型枠またはキャビティ31の内部に設置され、適切な位置に型枠内にて保持される。かかる保持は、トッププレート33および適切な圧縮手段35、単純なクランプまたはボルトのパターンによって行われる。シール材孔が用いられた場合には、前記トッププレートには孔として、シール材が接合体に導入される際に通るものも具備せしめる。
Regardless of the individual design, the assembly of the components is arranged with each component port in the assembly positioned relative to the remaining component ports. As shown in FIG. 16, the joined
上記燃料電池カセット接合体のシールを真空利用樹脂移送モールディング法によって行うためには、シール材の導入を全ての組み立てられた構成要素の外周およびシール材孔に行う。真空による吸引を、接合体の内部の各ポートを通して行う。圧力の差によってシール材を接合体の端部に引き込み、それによって接合体の構成要素の外周のシールを一緒に行い接合体を完成した燃料電池カセットとして形成する。また、同一の圧力差によってシール材を複合MEAまたは任意にバイポーラープレートに存在するチャネルまたは溝に引き込む。シール材孔がある場合、圧力の差によって、シール材の吸引または引き込みが、シール材孔から溝の中に行われる。 In order to seal the fuel cell cassette assembly by the vacuum-based resin transfer molding method, the sealing material is introduced into the outer periphery of all assembled components and the sealing material holes. Vacuum suction is performed through each port inside the assembly. The sealing material is drawn into the end portion of the joined body due to the difference in pressure, thereby sealing the outer periphery of the components of the joined body together to form the joined body as a completed fuel cell cassette. In addition, the sealing material is drawn into the channel or groove existing in the composite MEA or optionally the bipolar plate by the same pressure difference. When there is a sealing material hole, suction or drawing of the sealing material is performed from the sealing material hole into the groove due to a pressure difference.
外周およびポートのシールが終了するのは、シール材の流動が溝から生じて適切なポートに達し、これらを封止したときである。カセット接合体全体二位おいて、各流動場の適切なシールは、各個別の層におけるマニホールドポートとのうち所望のもののみを開放しておくようになされる。残りのポートについては、選択的な閉鎖/封鎖を、溝をその時点においてシールすることによって行う。接合体の端部もシール材によってカプセル化する。圧力差および時間としてシール工程に必要なものは、構成要素およびシール材に用いられた材料の関数となり、これにはシール溝ならびにシール材の粘度および流動特性が包含されるが、これらに限定されない。 The sealing of the outer periphery and the port ends when the flow of the sealing material is generated from the groove to reach an appropriate port and is sealed. In the second position of the entire cassette assembly, the appropriate seal for each flow field is such that only the desired manifold ports in each individual layer are open. For the remaining ports, selective closing / sealing is performed by sealing the groove at that time. The end portion of the joined body is also encapsulated by the sealing material. What is required for the sealing process as a pressure differential and time is a function of the components and the material used for the seal, including but not limited to the seal groove and the viscosity and flow characteristics of the seal .
もしくは、圧力利用樹脂移送法を用いて、粘度の低いシール材をシール材孔内部および/または接合体の外周に押し入れることもできる。2部の熱硬化性樹脂として、粘度が150,000cP以下、より好ましくは100,000cP以下であるものによって、シールチャネルおよびスタックの外部の充填を、最小の駆動圧(<10PSI)によって極めて短い充填時間(<1分)において行うことができる。さらに、前記燃料電池の構成要素およびシールチャネルの設計は複雑なものではないが、これは高圧充填法および典型的に必要とされるより緊密な耐用性によってもたらされる。 Alternatively, a low-viscosity sealing material can be pushed into the sealing material hole and / or the outer periphery of the joined body by using a pressure-based resin transfer method. The two-part thermosetting resin has a viscosity of 150,000 cP or less, more preferably 100,000 cP or less, so that the external filling of the seal channel and stack can be achieved with a very short filling time (<10 PSI) ( <1 minute). Moreover, the design of the fuel cell components and seal channels is not complex, but this is brought about by the high pressure filling method and the tighter durability typically required.
燃料電池カセットをインジェクションモールディングによってシールするために、シール材を機械的に接合体外周の周囲およびシール材孔内に強制的に配置する。好ましい態様においては、熱硬化性樹脂を用いてシール材とし、そのインジェクションをインジェクション孔の中および接合体の端部に行い、硬化を燃料電池カセットを型枠からはずす前に行う。他の1つの態様においては、熱可塑性樹脂を用いてシール材とする。このシール材のインジェクションはインジェクション孔の中および接合体の端部に行い、冷却および硬化を燃料電池カセットを型枠からはずす前に行う。型枠としては、関係する温度および圧力に対応可能なものを用いる。 In order to seal the fuel cell cassette by injection molding, the sealing material is mechanically disposed around the outer periphery of the joined body and in the sealing material hole. In a preferred embodiment, a thermosetting resin is used as a sealing material, the injection is performed in the injection hole and at the end of the joined body, and the curing is performed before the fuel cell cassette is removed from the mold. In another aspect, a thermoplastic resin is used as the sealing material. The sealing material is injected into the injection hole and at the end of the joined body, and cooling and hardening are performed before removing the fuel cell cassette from the mold. As the mold, one that can cope with the related temperature and pressure is used.
したがって、燃料電池および関連する電気化学カセットを構成する方法として本明細書において示されるものにおいては、モデル品の迅速な設計および最適化が可能である。かかる構成方法は、少量から中量において(すなわち<100,000ユニット)電気化学カセットまたは燃料電池カセットを真空利用樹脂移送法または圧力利用樹脂移送法によって製造するのに好適である。とくに、本発明のカセットは、減圧下/低圧下において製造することができる。さらに、本発明のカセットにおいては、電気化学的に活性な断面が、所定のカセットサイズに対して増大している。すなわち、シールを目的とする場合に用いる(犠牲とする)カセットの部分はより小さくなければならない。 Accordingly, in what is presented herein as a method of constructing a fuel cell and associated electrochemical cassette, rapid design and optimization of model items is possible. Such a construction method is suitable for producing electrochemical cassettes or fuel cell cassettes in small to medium quantities (ie <100,000 units) by vacuum-based resin transfer methods or pressure-based resin transfer methods. In particular, the cassette of the present invention can be manufactured under reduced pressure / low pressure. Furthermore, in the cassette of the present invention, the electrochemically active cross section is increased for a given cassette size. That is, the portion of the cassette used (sacrificed) for sealing purposes must be smaller.
低圧シール法に必要な断面の面積が本発明においては減少しているため、反応物質の送達およびカセット内部の流動場からの除去についてはより柔軟に行うことができる。そのため、反応物質の流動場における損失は低減され、または排除されている。すなわち、例えば、各流動場に反応物質に2つまたは3つ以上の反応物質マニホールドを与え、廃棄物の流動場からの除去を2つまたは3つ以上の廃棄マニホールドを介して行うことができる。
流動場の設計がよりフレキシブルに行えることによって、さらに、カセットの効率が向上し、カセットの設計をより拡張的に行うことができる。すなわち、本発明においては、カセットとしてより大きいまたは小さい出力電力をカセットから産生されるものとして有し、現存する燃料電池スタックであって同等の出力電力を有するものより小さいものが考慮に含まれている。
Since the cross-sectional area required for the low pressure sealing method is reduced in the present invention, the delivery of reactants and removal from the flow field inside the cassette can be more flexible. As such, the loss of reactants in the flow field is reduced or eliminated. That is, for example, each flow field can be provided with two or more reactant manifolds for the reactants and removal of waste from the flow field can be performed via two or more waste manifolds.
Since the flow field can be designed more flexibly, the efficiency of the cassette is further improved, and the cassette can be designed more extensively. That is, in the present invention, the cassette has a larger or smaller output power as produced from the cassette, and an existing fuel cell stack smaller than the one having an equivalent output power is included in consideration. Yes.
シール材として周縁及びポートのシールに用いられるものの選択は、必要な化学的および機械的特性を、作動中の燃料電池システムにおいて見いだされる条件、例えばこれに限定されるわけではないが、温度安定性、を有することを観点として行われる。適切なシール材には、熱可塑性エラストマーおよび熱硬化性エラストマーのいずれもが包含される。好ましい熱可塑性のものには、熱可塑性オレフィンエラストマー類、熱可塑性ポリウレタン類、プラストマー、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素化ポリプロピレンおよびポリスチレンが包含される。好ましい熱硬化性のものには、エポキシ樹脂類、ウレタン類、シリコーン類、フルオロシリコーン類およびビニルエステル類が包含される。 Selection of what is used as the seal for the periphery and port as the seal material will determine the required chemical and mechanical properties for conditions found in the operating fuel cell system, such as, but not limited to, temperature stability. , From the viewpoint of having. Suitable sealing materials include both thermoplastic elastomers and thermoset elastomers. Preferred thermoplastics include thermoplastic olefin elastomers, thermoplastic polyurethanes, plastomers, polypropylene, polyethylene, polytetrafluoroethylene, fluorinated polypropylene and polystyrene. Preferred thermosets include epoxy resins, urethanes, silicones, fluorosilicones and vinyl esters.
別の態様である図17に示されるものにおいては、エンドプレート3aおよび3bが、燃料電池カセット10に37のように直接接合されるが、これは上記シールステップの間に行われる。いくつかの利点が、この態様によってもたらされる。燃料電池カセットとしてエンドプレートの間にあるものを圧縮する必要がないため、燃料電池スタックの信頼性が高くなり、実質的に重量が減じられる。また、導入されたエンドプレートに付属の要素(fittings)を備えることによって、燃料電池スタックをさらに単純なものにすることができる。ある好ましい態様において、外部燃料、酸化剤流動場および冷却剤流動場への連結がスタックにおいて用いられるターミナルプレートに付加され、該ターミナルプレートはスタックのエンドプレートとして機能する。
In another embodiment, shown in FIG. 17, the
別の好ましい態様において、本発明はカセットとしてシールチャネル23として、複合MEA50のガスケット52にモールドされているものを提供する。これによって、スタックのその余の部分が顕著に簡素なものとなり、とくに簡素化されるのは無孔性セパレータプレートである。図6に示したように、複合MEAによって個々の複合MEA60および1つのセパレータプレート62をバイポーラープレートの代わりに用いることが可能となり、各流動場は複合MEAの表面、セパレータプレートの表面および複合MEAのガスケット部分の高くなった稜線および盛り上がったチャネルの高さによって画定された空間の内部に配置される。端部ガスケットを平坦な複合MEAの周囲に形成せずに、複合膜を、ガスケット52として高くなった稜線および盛り上がったチャネル、すなわちシールチャネル23、を具備するものとして複合MEAのガスケットに調製し、これらによって、シール材の流動のうち、組み立てられたスタックの中への、またはその内部を通るものを、シール工程の間に調節する。
In another preferred embodiment, the present invention provides a cassette molded into the
スタックの作製を、続いて単純な流動場60(例えば金属のスクリーン)および平らなセパレータプレート62(例えばシートストック)を用いて行うことができる。もしくは平らなプレートをスタンプし、1つまたは2つ以上の流動場をセパレータと接合することもできる。カセットの構築の間、シール材をスタックの端部から(またはスタック構成要素のシール材孔から)導入する。シール材はMEAのガスケットに導入されたチャネル23を通って移動し、および/またはさらに浸潤にして、シールとして高められた稜線および対向面(例えばバイポーラープレートまたはセパレータプレート)の間に形成されたものによってブロックされるまで移動する。接合をセット、硬化、固化、冷却または他の熟成工程で行うことによって、シールが複合MEAのガスケット部分とセパレータプレート62との間に形成される。図6および図11を参照されたい。
The stack can then be made using a simple flow field 60 (eg, a metal screen) and a flat separator plate 62 (eg, sheet stock). Alternatively, a flat plate can be stamped and one or more flow fields can be joined to the separator. During the construction of the cassette, sealant is introduced from the end of the stack (or from the sealant hole of the stack component). The sealant travels through the
複合MEA50(本明細書において「ガスケットMEA」ということもある)は本発明において好適に用いられ、中心部の積層MEA13(NAFION型のパースルホン化されたアイオノマー層であり、触媒処理を施したカーボン紙層の間に積層されている)および非伝導性であり非多孔性のガスケット52として積層されたMEA52(図5)の周縁に接合されたものを具備する。前記ガスケット52は、典型的には熱硬化性または熱可塑性材料から調製され、キャスト、モールドされ、またはこれら以外の場合には積層されたMEAの周縁付近に形成される。好ましい態様において、ガスケットは、モールドとして、溝を具備し、この溝が1つまたは2つ以上の高くなった稜線および盛り上がったチャネルの形成に好適であるモールドを用いて形成される。
A composite MEA 50 (sometimes referred to herein as a “gasket MEA”) is preferably used in the present invention, and is a laminated MEA 13 (NAFION-type persulfonated ionomer layer in the center portion, which has been subjected to catalytic treatment. And laminated to the periphery of the MEA 52 (FIG. 5) laminated as a non-conductive and
ある好ましい複合MEAの調製は、ガスケットを真空利用樹脂移送モールディングまたはインジェクションモールディングによって行う。すなわち、複合MEAを図3および図4に図示した型枠に設置する。樹脂の導入をMEAの周縁付近に行い、樹脂によってGDLの端部を遮り、MEAとガスケットとの間に強固な接合が形成されるようにする。型枠の形は、1つまたは2つ以上の溝を含むものとし、該溝は高くしたチャネルおよび/または盛り上げた稜線としてMEAの周縁をブロックするものの位置および寸法に対応し、シール材をマニホールドとして材料を供給するかまたは特定の流動場から材料を除去するものの周りに導く。 Some preferred composite MEAs are prepared by vacuum-based resin transfer molding or injection molding. That is, the composite MEA is installed in the form shown in FIGS. Resin is introduced near the periphery of the MEA, and the end of the GDL is blocked by the resin so that a strong bond is formed between the MEA and the gasket. The form of the mold shall contain one or more grooves, which correspond to the location and dimensions of the raised channels and / or raised ridges that block the periphery of the MEA, with the sealing material as a manifold Feed or guide around what removes material from a particular flow field.
ガスケットを形成する間、典型的には1つまたは2つ以上の反応物質マニホールド、冷却剤マニホールドまたはシール材マニホールドの開口を与える(またはマニホールド開口の導入は、ガスケットの形成を必要な開口をガスケットおよび/またはMEAの切り込みまたはパンチによって行った後に行ってもよい)。複合MEAのガスケット部分はさらに1つまたは2つ以上の高くなった稜線および/または盛り上がったチャネルを備え、これらによってシール材の流動を制御するとともに方向付けをシール工程の間に行う。典型的には、高くなった稜線または盛り上がったチャネルの高さは、流動場スクリーンまたは高くした流動場としてバイポーラープレートの表面にレリーフされたものの厚みにほぼ等しい。 During the formation of the gasket, typically one or more reactant manifolds, coolant manifolds or sealant manifold openings are provided (or the introduction of the manifold opening is the opening that requires the formation of the gasket and the gasket). And / or after performing a MEA cut or punch). The gasket portion of the composite MEA further comprises one or more raised ridges and / or raised channels that control the flow of the sealant and direct the orientation during the sealing process. Typically, the height of the raised ridge or raised channel is approximately equal to the thickness of the flow field screen or the relief of the bipolar plate surface as a raised flow field.
ある態様において、ガスケットの少なくとも部分が、積層されたMEAの厚みより大きい厚みを有する。これらの高くなった稜線は、シール材、例えばシール材樹脂、を、流動場または反応物質マニホールドもしくはシール材マニホールドに入るのをブロックするように設計されている。すなわち、図7に図示したように、流動場の周縁は、マニホールド開口として流動場に材料を送達することが意図されているものを含めて、MEAのガスケット部分の高くなった稜線によって囲まれている。高くなった稜線72および盛り上がったチャネル23(2つまたは3つ以上の実質的に平行な高くなった稜線72として、シール材が流動してもよいチャネル23を形成するもの)をガスケット部分に配置して、MEAの周縁をシールし、マニホールド開口として流動場と相互作用しないものを囲むようにする。すなわち、高くなった稜線または盛り上がったチャネルとしてガスケットMEAのガスケット部分にあるものは、シール材が浸透しない境界面を、隣接するセパレータプレートまたはバイポーラープレートの平らな端部とともに形成するところ、シール材がスタックに導入されたとき、該シール材は前記高くなった稜線を越えることができないようになっている。
In certain embodiments, at least a portion of the gasket has a thickness that is greater than the thickness of the laminated MEA. These raised ridges are designed to block sealant, such as sealant resin, from entering the flow field or reactant manifold or sealant manifold. That is, as illustrated in FIG. 7, the periphery of the flow field is surrounded by raised ridges in the gasket portion of the MEA, including those intended to deliver material to the flow field as manifold openings. Yes. Raised ridges 72 and raised channels 23 (two or more substantially parallel raised ridges 72 forming
ある態様において、カセットとして流動場スクリーンを具備するものは、好ましくはスクリーンとして、寸法が隣接するMEAの表面およびセパレータプレートとの間の接合体に好適であるものを有し、該スクリーンの断面はシールを形成する周縁のガスケットの部分とセパレータプレートとによって、例えば三次元空間として隣接するMEAの表面、セパレータプレートおよび複合MEAの周縁端部ガスケットによって、画定されるものである。最終的な分離距離の画定は、流動場スクリーンの厚みによってなされる。次にスタックを組み立てるが、これは伝導セパレータプレート(典型的には表面スパタリングを施していないもの)をガスケットMEAとして流動場スクリーンをMEAと前記セパレータプレートとの間に有するものと交互に入れ換えることによって行う。 In some embodiments, those comprising a flow field screen as a cassette preferably have a screen that is suitable for joining between the surface of the adjacent MEA and the separator plate as a screen, the cross section of the screen being The portion of the peripheral gasket that forms the seal and the separator plate are defined, for example, by the adjacent MEA surface as a three-dimensional space, the separator plate and the peripheral edge gasket of the composite MEA. The final separation distance is defined by the thickness of the flow field screen. The stack is then assembled by alternately replacing the conductive separator plate (typically without surface sputtering) with the gasket MEA and having a flow field screen between the MEA and the separator plate. Do.
図8Aおよび図8Bは、バイポーラープレートとして蛇行したシリーズの稜線を有するものとして、該稜線が、流動場を画定し、反応物質を方向付けするとともに、その流動を、送達マニホールドと排出マニホールドとして流動場に連結しているものの間の実質的に全てのMEAを通って行わせしめるものを示す。もしくは、一連の高くなったランド、例えば複数の多角形または円形の突起であって、バイポーラープレートの表面からのものである配置された長方形のランドとして図12に図示されたもの、をバイポーラープレートの流動場として導入してもよい。好ましいバイポーラープレートは、実質的に平面の表面を流動場領域周辺に具備し、該平面はガスケットを有するMEAのガスケット部分の高くなった稜線および/または盛り上がったチャネルと連結することができ、これによってシール材または他の材料を流動場またはマニホールド開口からシール工程または封止工程の間排除する。バイポーラープレートは、カーボン/ポリマー複合体から機械製造(machine)またはモールドすることができる。もしくは、バイポーラープレートは、金属のシートストックからスタンプ製造(stamp)することもできる。 FIGS. 8A and 8B have a series of serpentine ridges as bipolar plates that define the flow field and direct the reactants and flow the flow as a delivery manifold and an exhaust manifold. It shows what happens through virtually all MEAs between those connected to the field. Alternatively, a series of raised lands, such as a plurality of polygonal or circular protrusions, as illustrated in FIG. 12 as arranged rectangular lands from the surface of the bipolar plate, are bipolar. You may introduce | transduce as a flow field of a plate. A preferred bipolar plate comprises a substantially planar surface around the flow field region, which can be connected to the raised ridges and / or raised channels of the gasket portion of the MEA with the gasket. Eliminates seals or other materials from the flow field or manifold opening during the sealing or sealing process. Bipolar plates can be machined or molded from carbon / polymer composites. Alternatively, the bipolar plate can be stamped from metal sheet stock.
あるいは、各流動場の形成をバイポーラープレートの表面に行うこともでき、複合MEAを組み立ててカセットとすることもできる。好ましくは、1つまたは2つ以上のチャネルがモールドしたガスケットに存在するかまたはバイポーラープレートの表面にエッチされ、構成要素を一緒に接合し、各マニホールドとして流動場から隔離するべきものをシール材によって囲む。 Alternatively, each flow field can be formed on the surface of the bipolar plate, and the composite MEA can be assembled into a cassette. Preferably, one or more channels are present in the molded gasket or etched on the surface of the bipolar plate to join the components together and seal each material as to be isolated from the flow field Surround by.
さらに、複合MEAのガスケット部分に対するシールによって低減されるかまたは妨げられるのは、MEAの表面の断面の部分が、反応物質のうち、流動場であって前記MEAの表面に導入されないものに暴露されることである。より詳細には、マニホールド開口であって燃料および酸化剤を供給するものが暴露されるのは、複合MEAのガスケット部分のうち典型的に電気化学的に不活性なもののみである。したがって、複合MEAの表面であって酸化剤流動場に接しているものは、その表面にある燃料に暴露されることが防がれる。その理由は、複合MEAの積層されたGDL/MEA構造は、例えば燃料マニホールドと接していないからである。
カセットであって冷却剤マニホールドを具備するものにおいては、マニホールド開口の暴露は、好ましくは複合MEAのガスケット部分にのみなされる。このような配置によって、冷却剤によって引き起こされるMEAおよび/またはカセットに対する損傷を減じることができる。
Furthermore, it is reduced or prevented by the seal to the gasket portion of the composite MEA that the cross-sectional portion of the MEA surface is exposed to reactants that are flow fields that are not introduced to the surface of the MEA. Is Rukoto. More particularly, only the manifold MEA gasket portion, typically the electrochemically inert one, that is exposed to the fuel and oxidant supply is exposed. Therefore, the surface of the composite MEA that is in contact with the oxidant flow field is prevented from being exposed to the fuel on the surface. The reason is that the GDL / MEA structure in which the composite MEA is stacked is not in contact with the fuel manifold, for example.
In cassettes with coolant manifolds, exposure of the manifold openings is preferably made only on the gasket portion of the composite MEA. Such an arrangement can reduce the damage to the MEA and / or cassette caused by the coolant.
他の側面において、本発明はスタックとして燃料電池における使用に好適なもの、電気化学的またはイオン交換アプリケーションを与える。本発明のスタックは、少なくとも1つの本発明のカセット少なくとも1つのエンドプレートであって、カセットの反応物質マニホールド開口に対して位置決めされている開口を有するものを具備する。各カセットの組み立ては、相互に反応物質マニホールド開口に対して位置決めするように行われる。エンドプレートの組み立ては燃料電池カセットのスタックの頂部または底部に行われ、エンドプレートの開口が応物質マニホールド開口と位置決めされるようにする。 In another aspect, the present invention provides a suitable stack for use in fuel cells, electrochemical or ion exchange applications. The stack of the present invention comprises at least one end plate of at least one cassette of the present invention having an opening positioned relative to the reactant manifold opening of the cassette. The assembly of each cassette is performed so as to position each other relative to the reactant manifold opening. The end plate assembly is performed at the top or bottom of the stack of fuel cell cassettes so that the end plate opening is positioned with the material manifold opening.
エンドプレートと燃料電池カセットを組み立てて本発明の燃料電池スタックを形成せしめる方法はとくに限定されず、圧縮ガスケットシールおよび共カプセル化(co-encapsulation)を樹脂および/またはシール材の中に行ってもよい。好ましい態様において、エンドプレートの組み立ては燃料電池カセットとともに樹脂によるカプセル化の前かつシール材の導入前、に行い、エンドプレートおよび燃料電池カセットのカプセル化およびシールを、組にして、例えば同時に、行うようにする。 The method of assembling the end plate and the fuel cell cassette to form the fuel cell stack of the present invention is not particularly limited, and compression gasket sealing and co-encapsulation may be performed in resin and / or sealing material. Good. In a preferred embodiment, the end plate is assembled with the fuel cell cassette before encapsulating with the resin and before the introduction of the sealing material, and the end plate and fuel cell cassette are encapsulated and sealed in pairs, for example simultaneously. Like that.
本発明の他の好ましい態様においては、1つまたは2つ以上の燃料電池カセットを製造し、次にそれらをスタック内に圧縮ガスケットおよびエンドプレートとともに配列せしめる。圧縮手段、例えばスルーボルト、タイダウンまたは他の機械的な接合材を燃料電池スタックに付着せしめ、燃料電池カセットおよびエンドプレートを機械的にシールする。 In another preferred embodiment of the invention, one or more fuel cell cassettes are manufactured and then arranged in a stack with compression gaskets and end plates. Compression means, such as through bolts, tie-downs or other mechanical joints are applied to the fuel cell stack to mechanically seal the fuel cell cassette and end plate.
層の大きさおよび層の数は、本発明のカセットまたはスタックにおいては特に限定されない。典型的には、各流動場および/または膜接合体は約1cm2および約1m2の範囲とするが、これらより大きいかまたは小さい流動場層および/または膜接合体膜は、あるアプリケーションにおいては好適である。層の大きさおよび層の数は、本発明の燃料電池カセットにおいては、種々のアプリケーションに対して十分な出力電力を産生するように設定する。多くの場合、電力出力は本発明の燃料電池カセットおよび燃料電池スタックにおいては約0.1Wから約100kWの範囲であり、より好ましくは約0.5Wから約1または約10kWまでの範囲である。他の好ましい本発明の燃料電池カセットにおいては約5Wから約1kWの範囲である。 The layer size and the number of layers are not particularly limited in the cassette or stack of the present invention. Typically, each flow field and / or membrane assembly is in the range of about 1 cm 2 and about 1 m 2 , although larger or smaller flow field layers and / or membrane assemblies are used in certain applications. Is preferred. The layer size and the number of layers are set to produce sufficient output power for various applications in the fuel cell cassette of the present invention. In many cases, the power output ranges from about 0.1 W to about 100 kW, more preferably from about 0.5 W to about 1 or about 10 kW in the fuel cell cassettes and fuel cell stacks of the present invention. In another preferred fuel cell cassette of the present invention, the range is from about 5 W to about 1 kW.
圧力の差および時間としてシール工程を完遂に必要とされるものは、燃料電池カセットの構築において用いられる材料の関数となる。これらにはシール材チャネルの形状、樹脂の粘度および流動特性、ならびにMEAにおいて用いられるガス拡散層のタイプが包含される。当業者であれば、適切な時間及び圧力をこれらのパラメータに基づいて判断することができる。本発明を実施する者は、最も好適な時間および圧力を目視によって確認してもよい。シール工程の間に透明な型枠を用いれば、樹脂の進み具合を接合体の最上層において見ることができる。 What is needed to complete the sealing process as a pressure difference and time is a function of the materials used in the construction of the fuel cell cassette. These include the shape of the sealant channel, the viscosity and flow characteristics of the resin, and the type of gas diffusion layer used in the MEA. One skilled in the art can determine the appropriate time and pressure based on these parameters. A person who implements the present invention may visually confirm the most suitable time and pressure. If a transparent mold is used during the sealing process, the progress of the resin can be seen in the uppermost layer of the joined body.
好ましい本発明の燃料電池カセットについて、例示のための以下の態様によってさらに説明するが、これらは説明のためだけのものであって、本発明をこれらに記載した特定の部分および範囲に限定することを意図するものではない。 Preferred fuel cell cassettes of the present invention are further illustrated by the following illustrative embodiments, which are for illustrative purposes only and limit the invention to the specific portions and scope described herein. Is not intended.
例1:2セルスタックのパフォーマンスデータ
稜線および盛り上がったチャネルパターンとして図7に図示したものを用いて、複合MEAとして図2に図示したものを市販のMEAおよびシリコーン樹脂から、ガスケット型枠として図3および図4に図示したものを用いてモールドした。セパレータプレートはプレート状のステンレス鋼から切り出し、網状の流動場はステンレス鋼の網から切り出した。各構成要素は図10に図示し、例えば、2つの複合MEA、4つの流動場スクリーン、1つのセパレータプレート、および2つのエンドプレートであり、これらを以下の順番で型枠に組み立てて設置する:エンドプレート、流動場スクリーン、複合MEA流動場スクリーンおよびセパレータプレート。接合体のカプセル化を、シリコーン樹脂、Silastic(Dow Coming Corporation of Midland、Michigan、USAから購入可能)を用いて、樹脂をシール材孔にハンドディスペンサを押し入れて行う。
Example 1: Performance data of a two-cell stack Using the ridgeline and raised channel pattern shown in FIG. 7, the composite MEA shown in FIG. 2 from the commercially available MEA and silicone resin, and the gasket mold as shown in FIG. And it molded using what was illustrated in FIG. The separator plate was cut out from a plate-like stainless steel, and the net-like flow field was cut out from a stainless steel net. Each component is illustrated in FIG. 10, for example, two composite MEAs, four flow field screens, one separator plate, and two end plates, which are assembled and installed in a mold in the following order: End plates, flow field screens, composite MEA flow field screens and separator plates. Encapsulation of the bonded body is performed by using a silicone resin, Silastic (available from Dow Coming Corporation of Midland, Michigan, USA), and pushing the resin into the sealant hole with a hand dispenser.
表1に、総電圧、セル電圧、電流および電流密度を、上記燃料スタック接合体について示した。動作環境は、50Cのスタック温度、デッドエンド系水素(通常のパージ)、および1LPMの空気(加湿、50C)であった。 Table 1 shows the total voltage, cell voltage, current and current density for the fuel stack assembly. The operating environment was 50C stack temperature, dead-end hydrogen (normal purge), and 1 LPM air (humidification, 50C).
表1
例2:標準的なインジェクションモールディング
ほとんど変更を加えなくても、上記スキームを自動インジェクションモールディングに用いることができる。2部の樹脂(例えば例1において用いたシリコーン)を用いると、樹脂のインジェクションをチャネル内に駆動圧をかけて、内部のポートに真空を引かずに行えることが明らかになった。従来のインジェクションモールディングにおいて熱可塑性樹脂としては、用いる型枠は、関連する温度および圧力を耐用するものである必要がある。モルテン樹脂をインジェクション孔の内部および接合体の周囲にインジェクションし、冷まして硬化せしめる。インジェクションの速度プロファイル、パック圧、および冷却時間は構成要素の損傷を最小限とするように、そして最終部分のシールを確実にするように収縮/反りを制御するように、最適化する。最後に、燃料電池カセットを型枠からはずす。
Example 2: Standard injection molding The above scheme can be used for automatic injection molding with little modification. Using two parts of resin (for example, silicone used in Example 1), it has been found that resin injection can be performed without applying a vacuum to the internal port by applying driving pressure in the channel. As a thermoplastic resin in conventional injection molding, the formwork used must be able to withstand the associated temperature and pressure. Molten resin is injected into the inside of the injection hole and around the bonded body, and is cooled and hardened. The injection velocity profile, pack pressure, and cooling time are optimized to minimize component damage and to control shrinkage / warping to ensure final part sealing. Finally, remove the fuel cell cassette from the formwork.
本発明にかかる上記記載は、その例示にすぎないものであり、変更および修正は、本発明の精神及び範囲から逸脱しない範囲で行うことができる旨理解されたい。 It should be understood that the above description of the present invention is merely illustrative and that changes and modifications can be made without departing from the spirit and scope of the present invention.
Claims (45)
電気化学カセットは、複合膜電極接合体(MEA)であって、モールドされ前記MEAの周縁に接合されたガスケットを有し、前記ガスケットは、その厚みを貫通して広がる少なくとも1つの反応物質マニホールド開口および少なくとも1つのシール材チャンネルまたはポートを具備する複合膜電極接合体、および、
燃料流動場、酸化剤流動場およびセパレータプレートであって、該各部材はその厚みを通って広がる少なくとも1つの反応物質マニホールド開口を具備する、燃料流動場、酸化剤流動場およびセパレータプレートを備え、
1つまたは2つ以上の前記MEA、燃料流動場、酸化剤流動場およびセパレータプレートは、組み立てられ、その周縁部においてシール材によってカプセル化され、そして、
前記シール材はそれぞれのチャネルを同時にシールし、反応物質マニホールド開口のうち特定の流動場に材料を送達しないものを選択的にブロックし、
シール材チャンネルの少なくとも1つの部分が、カセットの1つまたは2つ以上のプレートの周縁端に開口し、シール材の前記シール材チャンネルへの導入が前記カセットのカプセル化の間に該周縁端の開口から導入することにより行われる、電気化学カセットの前記製造方法。A method for producing an electrochemical cassette comprising at least one electrochemical cell, comprising:
The electrochemical cassette is a composite membrane electrode assembly (MEA) having a gasket molded and bonded to the periphery of the MEA, the gasket having at least one reactant manifold opening extending through its thickness. And a composite membrane electrode assembly comprising at least one sealant channel or port, and
A fuel flow field, an oxidant flow field and a separator plate, each member comprising a fuel flow field, an oxidant flow field and a separator plate comprising at least one reactant manifold opening extending through its thickness;
One or more of the MEA, fuel flow field, oxidant flow field and separator plate are assembled and encapsulated by a seal at its periphery; and
The sealant seals each channel simultaneously and selectively blocks reactant manifold openings that do not deliver material to a particular flow field;
At least one portion of the sealant channel opens to the peripheral edge of one or more plates of the cassette and introduction of the sealant into the sealant channel is at the peripheral edge during encapsulation of the cassette . The said manufacturing method of the electrochemical cassette performed by introduce | transducing from opening .
(a)請求項1〜30のいずれかに記載の、少なくとも1つの電気化学カセットの製造方法、および、
(b)反応物質マニホールド開口に対して位置決めされた1つまたは2つ以上の開口を有する、少なくとも1つのエンドプレート、を用意し、
前記エンドプレートを、1つまたは2つ以上の前記(a)により得られた電気化学カセットの頂部および/または底部に配置し、前記エンドプレートの前記開口を、燃料マニホールド開口、酸化剤開口、および任意に冷却剤マニホールド開口に対して位置決めすることを含む、燃料電池スタックの前記製造方法。A method for manufacturing a fuel cell stack, comprising:
(A) The method for producing at least one electrochemical cassette according to any one of claims 1 to 30, and
(B) providing at least one end plate having one or more openings positioned relative to the reactant manifold openings;
The end plate is disposed at the top and / or bottom of one or more of the electrochemical cassettes obtained according to (a) , the openings of the end plate being fuel manifold openings, oxidant openings, and The method of manufacturing a fuel cell stack, optionally including positioning with respect to a coolant manifold opening.
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